Химия привитых поверхностных соединений - Лисичкин Г.В.
ISBN 5-9221-0342-3
Скачать (прямая ссылка):
1.3. Химия привитых поверхностных соединений
Рассмотрение общей схемы привитого поверхностного соединения (см. рис. 1.1) приводит к важному выводу: многообразие поверхностно-модифицированных твердых тел неисчерпаемо. Действительно, к концу XX столетия было известно по разным оценкам от 12 до 15 миллионов химических соединений; понятно, что предела в синтезе новых веществ нет, т. е. множество химических соединений открыто. Нет принципиальных препятствий для закрепления на поверхности носителя практически любой молекулы. Следовательно, открытым является и множество привитых поверхностных соединений. Кроме того, в широких пределах может меняться ряд параметров поверхностно-модифицированных материалов: химическая природа закрепленного вещества, морфология и химическая природа носителя, строение и длина ножки-спейсера и, наконец, структура привитого слоя. Привитый слой может быть мономерным или полимерным, плотным или неплотным, моно- и полифункциональным. Различным может быть и распределение привитых молекул: статистически беспорядочным, островковым или регулярным. Возможен (и реализован!) вариант, когда внутренняя поверхность пор (в пористой матрице) модифицирована группами одной природы, а внешняя поверхность частиц — другой.
Таким образом, можно говорить о том, что на стыке нескольких фундаментальных научных дисциплин — неорганической, органической, коллоидной химии и химии высокомолекулярных соединений — сложилось новое научное направление: химия привитых поверхностных соединений (ППС). Это научное направление имеет свой объект исследования — твердое тело, представляющее собой носитель с химически закрепленным на его поверхности слоем молекул, их агрегатов или макроскопических частиц. Важно, что этот объект нельзя свести к объектам смежных разделов химии. Наличие носителя (пористого или непористого, органического или минерального, синтетического или природного) и химически привитого слоя делают рассматриваемый объект, с одной стороны, уникальным, с другой — чрезвычайно многообразным.
Легко показать, что объект химии привитых поверхностных соединений вследствие своей двойственной природы не попадает в ведение ни одной из классических химических дисциплин. Вместе с тем между химией ППС и соседними областями нет резких границ. Так, переход от жестких ненабухающих матриц к гелевым
1.4|_Специфические особенности химии привитых поверхностных соединений 19
структурам приводит в область полимераналогичных превращений, присущих высокомолекулярным соединениям; по мере уменьшения прочности химических связей между закрепляемыми молекулами и поверхностью происходит плавный переход в область адсорбционных явлений, относящуюся к классической коллоидной химии; увеличение дисперсности носителя неминуемо приведет в область молекулярной дисперсности, т.е. в рамки «обычной» органической или неорганической химии.
Основная задача химии ППС заключается в том, чтобы выявить закономерности, управляющие синтезом поверхностно-модифицированных материалов и научиться осуществлять направленный синтез веществ и материалов с заранее заданными свойствами.
1.4. Специфические особенности химии привитых поверхностных соединений
Итак, объект химии ППС состоит из носителя и привитого слоя. Привитый слой занимает центральное место в химии ППС. Без преувеличения можно сказать, что химия поверхностных соединений — это химия привитых слоев. Действительно, именно состав, структура и другие свойства привитого слоя в основном определяют свойства поверхностно-модифицированных материалов. Отметим специфические особенности привитого слоя как объекта исследования.
Привитый слой двумерен, т.е. представляет собой систему с пониженной размерностью. Двумерность привитого слоя вносит принципиальные особенности при количественном описании поверхностно-модифицированных материалов и некоторых процесов, происходящих на поверхности. Отметим, что полимолекулярные привитые слои, толщиной в десятки нанометров и более, могут рассматриваться как привитые слои, обладающие трехмерной структурой. Однако даже «толстые» привитые слои являются, по существу, границей раздела фаз (со всеми вытекающими особенностями) и вряд ли могут быть выделены в отдельную фазу. По определению привитый слой находится на границе раздела фаз, сам фазой не являясь.
Привитый слой макромолекулярен. Его следует рассматривать как своеобразную макромолекулу (надмолекулу), образованную поверхностным слоем подложки и привитыми группами и являющуюся носителем химических свойств модифицированных поверхностей.
Интересным является вопрос о минимальных размерах фрагмента привитого слоя (структурной единицы), отражающего свойства модифицированной поверхности. Минимальные размеры представительного фрагмента привитого слоя — так сказать, кванта привитого слоя — связаны с параметрами кристаллической структуры поверхностного слоя носителя, его пористой структурой, поверхностной концентрацией и размерами привитых молекул.
Характеристические размеры привитого слоя могут изменяться в широких пределах. Например, для поверхности монокристаллического кварца, в силанольных группах которого протоны замещены на дейтерий, полная информация о структуре и свойствах привитого слоя содержится на площадке, равной площади элементарной кристаллической ячейки кварца. Для высокоупорядоченных самособирающих-ся монослоев характеристическим будет размер домена. Для химически модифицированных пористых корпускулярных носителей характеристичным является размер первичной частицы носителя, а для привитых слоев, содержащих закрепленные макромолекулы, микроорганизмы, клетки и др. — размер закрепленных частиц.
